JP2016520011A - ラボオンチップの製造方法及びシステム - Google Patents

Abstract

ラボオンチップシステムの製造方法及びラボオンチップシステム。この方法は、第１金型部品及び第２金型部品を備える金型を提供するステップであって、前記第１金型部品及び前記第２金型部品のうちの少なくとも一つは、チップが第１支持構造上に載るように受け取り、配置するのに適合された配置手段を有し、前記第１金型部品及び前記第２金型部品は、互いを接合して前記配置手段及び前記第１支持構造をその内部に収容するためのキャビティを形成するのに適合されたステップと、前記チップを前記配置手段に受け取るステップと、前記第１金型部品及び前記第２金型部品を接合することによって前記キャビティを形成するステップと、前記第１支持構造が流体ポートをマスクするために、前記チップの前記流体ポートが前記第１支持構造上に載った状態で前記チップを固定するステップと、前記キャビティに成形材料を導入して、前記チップの少なくとも一部及び前記チップから離れて広がる体積をオーバーモールドするステップと、前記第１金型部品及び前記第２金型部品を分離するステップと、前記第１支持構造によってマスクされた前記流体ポートの領域の付近の領域及び前記チップから離れて広がる領域中の前記成形材料によってオーバーモールドされた前記チップを前記金型から取り出すステップであって、第１表面に流体チャネルが前記第１支持構造によって形成されるステップと、を備える。

Description

［序文］
本発明は、典型的には第１チップの材料とは異なる材料で実現されたモールド部品に組み込まれ、予め製造された第１チップを備える異種チップシステムに関連し、このチップシステムは流体チャネルまたは流体導管を有し、第１チップ及びモールド部品のチャネルまたは導管は互いに流体接続されている。単一の作業で異種チップシステムを製造するための方法が記述される。

本発明の第１チップは様々な材料からなることができる。第１チップは単層若しくは積層シリコンチップ、接続されたシリコン―シリコンチップ、シリコン―ガラスチップ、ガラス―ガラスチップ、金属チップ、ポリマーチップ等であり得る。第１チップは能動的または受動的であり得、流体チャネルを含む。本発明のモールド部品は典型的にはポリマー材料で成形される。モールド部品は能動的または受動的であり得、流体チャネルを含む。

本発明のチップシステムは、モールド部品と１つ以上のチップとが組み合わされたシステムに関連し、１つ以上のチップがモールド部品に埋め込まれる。このチップシステムは、特定の実施形態において、ラボオンチップ（Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ）システムである。

ラボオンチップシステムは、ポリマー（硬質もしくは軟質ポリマー、熱可塑性ポリマー若しくは熱硬化性ポリマー）、紙、ガラス、及びシリコンベースの材料等の様々な材料で実現されることができる。選択される材料は用途の要請に依存する：機能、価格、廃棄可能性、生体適合性、物理的特性など。また材料の選択はしばしば所与の材料の利点及び欠点のトレードオフである。

熱可塑性ポリマーは射出成形によって大規模に低コストのラボオンチップシステムを製造するのにとても適している。しかし、例えばシリコンベースのマイクロマシニング技術と比較すると、幾何学的な構造定義（例えばアスペクト比）や機能が制限され得る。ポリマーでうまく実装することができない、または他の材料の方が良好に実装できる機能は、例えば、特別な光学特性（窒化ケイ素の導波路、表面プラズモン共鳴用の金、高光学品質用のガラス）、特別な生体機能性（非特異的な吸着、濡れ性、機能化表面化学）、作動機能（空気圧ＰＤＭＳバルブ、シリコンマイクロポンプ、毛細管ポンプ及びバルブ）、検知機能（光バイオセンサ、蛍光ベースのアッセイ、カンチレバーセンサ、電気化学センサ、ナノロッド及びナノ粒子（磁性及び非磁性）ベースのアレイ、生化学的アッセイ）、及び熱制御を含む。

高機能な低コストラボオンチップシステムを作成するためには、異なる材料及び異なる製造技術を組み合わせるべきである。

様々な構成要素を単一のラボオンチップシステムに統合することは、現在、回避されるか、様々なマイクロ流体構成要素を接続することによって実行され、相互接続に起因するデッドボリュームの増加の代償に、接着、溶接、機械的アセンブリ（圧力及びガスケット）、クリックインシステム、並びに複数構成要素のシステムを組み立てるための標準化された手段を提供する様々な所謂プラグアンドプレイプラットフォーム等の様々な組み立て方法によって、より単純なサブ構成要素からなるシステムを形成する。システムセットアップにおいていくつかの構成要素を一緒に接続することを目的とするこれらの相互接続技術に加えて、マイクロ流体及びラボオンチップ構成要素のパッケージング及びチップ・ツー・ワールドインターフェースのための様々な方法及びシステムが開発されてきた。これらは典型的には手動の組立を必要とし、多くの場合、何らかのキャリア基板内のチップのパッケージング、またはガスケット及び外部流体コネクタを含むチップフレーム、または流体コネクタのチップへの直接のクランプ留め若しくは接着を伴う。

本発明の目的は、単一の製造ステップで様々な構成要素／チップを異種ラボオンチップシステムへと直接統合しつつ、構成要素間に流体接続を提供する方法を提供することである。

本発明はラボオンチップシステムの製造方法を提供し、この方法の特徴は添付の請求項１に記載されている。

本発明の方法の実施形態の特徴は添付の請求項２〜４に記載されている。

本発明はラボオンチップシステムを提供し、このシステムの特徴は添付の請求項５に記載されている。

本発明のシステムの実施形態の特徴は添付の請求項６〜９に記載されている。

以下、添付図面を参照しつつ、例として本発明が記述される。

第１チップを配置及び支持し、定位置に固定するための構造と、モールド部品内にチャネルをつくるための構造とを備えた第１金型半体１００を描写する詳細な斜視図である。 第１チップ３００が挿入された第１金型半体１００を描写する詳細な斜視図である。 第１金型半体１００及び第２金型半体２００の、図２のＡＡ’平面での断面の断面図であり、第１金型半体の構造及び第２金型半体のクランプ力によって定位置に固定された第１チップ３００を描写する図である。この図では金型は閉じられており、ポリマー材料で充填されるキャビティを形成する。 本発明の異種チップシステム、即ちインサートとして第１チップを有するインサート成形プロセスに由来し、構造１２０によってその内部に形成されたチャネル４２０を有するモールド部品４００に統合された第１チップの、図２のＡＡ’平面での断面の断面図である。このチップシステムは典型的には第２のプロセスで箔またはプレート５００で積層され、チップシステム中の流体導管を外部デバイスに接続するためのいくつかの流体ポート４１０を除いて、導管を形成するためにチップシステム中のチャネル４２０を閉じる。いくつかの他の領域も、積層されなくてよい。例えば図１の中央支持構造１３０によって提供されるマスクによってオーバーモールド（ｏｖｅｒｍｏｌｄ）されていない中央領域などの、例えば第１チップへの電気的接続のための領域である。 図４の断面図と同様に、本発明に係るチップシステムの断面図である。しかしこの描写では、第１チップがレッジ（ｌｅｄｇｅ）３３０を有し、成形材料はレッジ内へと広がり、レッジを充填する。 図５ａに示されたレッジ３３０を有する第１チップの斜視図である。 図２で指摘されたＡＡ’面に対応する、図４及び図５ａの断面図と同様の、本発明に係るチップシステムの断面図である。しかし、第１チップはその流体ポートの周りにトレンチ３４０を有し、成形材料はトレンチ内へと広がり、トレンチを充填する。 図６ａに描かれた、流体ポートの周りにレッジ及びトレンチ３４０を有する第１チップの斜視図である。

本発明によれば、予め製造された第１チップがインサート成形プロセスでモールド部品へと統合される。金型は、第１チップとモールド部品との間に流体接続が確立されるように組み立てられる。第１チップは、強固な統合及び漏れのない流体接続を保証する特別な設計的特徴を有する。

（例えば単層若しくは積層シリコンチップ、接続されたシリコン―シリコンチップ、シリコン―ガラスチップ、ガラス―ガラスチップ、金属チップ、ポリマーチップ等の様々な材料からつくられ得る）第１チップは金型内に配置及び固定され、これは小スケールまたは試作などのためには手動で、またはロボット若しくは他の供給システムの形態によって行われてよい。第１チップを金型内に配置し、固定した後で、金型は閉じられて第１チップの周りにキャビティを形成し、このキャビティは例えば自動化された射出成形プロセス中に溶射されたポリマー等の成形材料で充填される。第１チップは流動している成形材料によって部分的にオーバーモールドされ、第１チップがその内部に統合されたモールド部品を備えるチップシステムの最終製品を得る。

［金型］
本発明の金型は、成形中にチップを定位置に配置及び固定するための構造及び特徴と、第１チップ及びモールド部品間の流体接続を作るための構造とを有する。この金型は図３に示される通り典型的には２つの金型半体１００、２００による少なくとも２つの部品を有し、また典型的には鉄若しくは他の適切な金属材料または他の耐熱材料で加工される。

第１チップは第１金型半体１００中のフレーム構造１１０と、第２金属半体２００のクランプ要素によって提供されるクランプ力との組み合わせによって定位置に固定されることができ、図１〜３から分かるように、２つの金型半体を閉じることによって導入される。

第１チップを挿入することはフレーム構造１１０の接している金型表面の摩耗を引き起こすかもしれない。従って、例えばＴｉＮコーティングなどの耐摩耗性コーティングでそのようなフレーム構造の接触表面をコートする必要があるかもしれない。

更に、モールド部品中にクラックの形成を起こさないために、フレーム構造の外側に来るものは十分大きな半径を有するべきである。

金型内に第１チップを固定するためのこのようなフレーム構造に加えて、金型を閉じる前に真空を用いて、例えば挿入されたチップに接するフレーム構造１１０の表面内の真空ポート１４０を介して、第１チップを定位置に固定することができる。真空の解決策を用いることで、フレーム構造を非常に高くする必要がなく、従ってチップを挿入するのがより簡単になり、摩耗問題の可能性を低減する。

大半の成形プロセス／装置では、金型の開閉動作は水平である。インサート成形については縦型成形装置が使用されることがある。第１チップが下部金型半体に挿入された、つまり図３に示された向きの縦型装置によって、（金型を閉じる前に）第１チップを挿入し、それを金型内の定位置に固定するプロセスが簡単になるだろう。

成形中に第１チップ上に穏やかではあるが十分なクランプ力、つまり図３の縦方向の力、を保証するために、第２金型半体２００は、挿入された第１チップ３００の厚さのばらつきを補うための要素２１０を有してもよく、これによってクランプによって誘起される最大の機械的応力及び第１チップの損傷の可能性を制限する。この補償要素２１０の第２金属半体表面２２０に対する位置も調整可能であり得る。補償要素２１０の寸法及び位置は、補償要素２１０が、第１チップ３００を、その平面と垂直に、最終的なモールド部品上に露出される必要のある第１チップの領域に成形材料が流れ込むのを避け、かつ第１チップを損傷または破壊しない一方で流動誘起の第１チップの動きまたは変形を避けるのに十分な力で押すように適合される。

補償素子２１０の単純な実施形態は、例えば高温耐久性を有し、離型時にモールド部品から剥離が良好なテフロン（登録商標）またはフッ素系ゴムなどのポリマーまたはゴムでコーティングされたスチール製の金型インサートであり得る。補償要素２１０の別の実施形態は第１チップ３００上のクランプ力を制御することができ、各成形サイクル中にクランプ軸に沿って補償要素の位置を調整することによって（全成形サイクル中で）クランプ力を一定に維持する。この位置調整は、バネ作用または作動装置（電気、空気圧、液圧）を力の測定と組み合わせて実施することができる。

第１金型半体１００は、成形プロセス中に第１チップ上の流体ポート３１０を覆い、保護する構造１２０を有する。従って、これらの構造１２０は第１チップとチップシステムのモールド部品との流体インターフェースを形成し、モールド部品４００中のチャネル４２０を形成しもする。

第１金型半体１００は第１チップ３００上の電気的相互接続またはパッドを覆い、保護する構造１３０、１１０を有することができる。

つまり纏めると、第１金型半体内に適切な構造１２０を有することで、第１チップ３００とシステムのモールド部品４００との流体接続が成形プロセス中に直接実現する。更に、適切に設計された金型構造１１０、１３０によって、第１チップ上の電気的接続点または他の接続点は、成形中に成形材料を避けることができる。

［プロセス及び材料］
商業的使用を目的としたラボオンチップシステムは、典型的にはポイントオブケア市場のために開発され、これは使い捨て可能で低コストなデバイスを示唆する。現在、そのようなシステムを製造するための普及している技術は、ＰＭＭＡ、ＣＯＣ、ＣＯＰ、ＰＣまたはＰＳ等の典型的には透明で非晶質なポリマーである熱可塑性ポリマー材料を使用した射出成形である。熱可塑性材料の射出成形はユニット当たりの低コストを提供する。

異種ラボオンチップシステムを製造するための本発明は熱可塑性ポリマー材料で射出成形するのにとても適している。

しかし、本発明は熱可塑性材料の射出成形に制限されず、射出圧縮成形等の特別な射出成形プロセスを含む。本発明は、熱硬化性ポリマー（例えばシリコーンゴムまたはポリウレタン）、金属粉末及びセラミック粉末等の他の材料の成形にも適している。更に、本発明は、圧縮成形、トランスファ成形、真空鋳造、熱エンボス加工、熱形成、マイクロ／ナノインプリンティング、ＵＶ硬化並びに押出しプロセス及びコーティングを含む様々なプロセス等の、材料を流動させるステップを含む（様々な材料での）他の製造プロセスにも適している。

本発明は基本的には成形材料の選択から独立しており、成形材料は所与のラボオンチップシステムの仕様に基づいて第一に選択される。しかし、第二に、所与の第１チップ（材料及び幾何学的形状）について、いくつかの成形材料（タイプ及びグレード）が、第１チップとモールド部品との間の信頼性が高く漏れのない流体接続を得る観点から特定の利点を有することがある。

チップとモールド部品との良好な接着を達成する観点から、成形材料は所与のチップ材料について実証済みの接着性能を有する利用可能な材料から選択されてよい。これは、例えば、チップの表面と水素結合または共有化学結合さえ形成するポリマー成形材料であり得る。

モールド部品４００内の熱及び流動誘起の応力を減らすために、成形条件の最適化が必要とされ得る。挿入された第１チップ３００の予熱が有益であり得る。挿入された第１チップ３００の下の、充填される比較的薄いセクションの領域内の鋳型壁を能動的または受動的に局所加熱することによって、このセクションの充填が簡単になり、溶接線の厳格さを低減し、モールド部品中の応力を低減し得る。この単純な実施は鋳型壁内に耐熱ポリマー材料を使用することによる受動的な局所加熱であり得、これによって流動している成形材料の凝固速度を局所的に遅くする。

非晶質で透明な熱可塑性ポリマー材料の射出成形を考慮すると、本発明のラボオンチップシステムの性能は最適な粘度（分子量分布）を有する材料を選択することによって最適化することができる。典型的には、同一のポリマーファミリーではあるが粘度が異なる３つの材料を最適化成形試験に用いることができる。挿入されたチップと鋳型壁との間の典型的には薄いセクションを充填する観点で、低粘度の材料が有利である。その一方で、粘度（従って、分子量）は、材料がクラックの形成（幾何学的形状／ノッチ効果に起因するクラック形成及びプロセス誘起の残留応力に起因するクラック形成）に対して十分な耐性を有するために、一定のレベルを超えているべきである。ポリカーボネートなどのいくつかの非晶質で透明なポリマー材料が、他に比べてクラック形成に対してより耐性があることも知られている。最終的に、非晶質ポリマーは固化の際に比較的小さな収縮を有し、これは本インサート成形プロセスにとって利点である。

［第１（挿入された）チップの特徴］
第１チップ３００とモールド部品４００との間の漏れのない流体接続を提供するために、そして長期故障（例えば第１チップとモールド部品との間の離層）を避けるために、第１チップとモールド部品との間に適切な接着が存在しなければならない。これは化学的手段及び／または機械的手段によって保証することができる。

第１チップがシリコンからなる場合には、シリコンチップの真空乾燥が適切な接着を提供するのに十分であり得る。他の場合には第１チップは成形前に表面処理が必要かもしれず、またはポリマーにカップリング剤を添加することもできる。（射出成形用の多くのポリマーは金型から容易に離れるための添加剤を有することに注意されたい。これによってポリマーと第１チップとの接着が妨げられ得る。）無機材料（第１チップ中の典型材料）と有機ポリマーとの接着を改善するための一般的な方法は、選択されたポリマーまたはポリマーのクラス（ｃｌａｓｓ）に対して良好な結合（必ずしも共有結合ではない）を与えるシラン分子で無機表面のシラン表面処理を行うことである。このシラン処理は湿式化学によって、または、よりコスト効率よくプラズマ誘起プロセスで実行されてよい。型内プラズマ処理（及び表面の粗化）または単なるプラズマ洗浄もまた選択肢である。

しかし化学的表面処理はプロセスに複雑さ及びコストを追加する。第１チップとモールド部品との間の界面における漏れを避けるための他の方法が存在する。

図６ａ、６ｂに描写されたように、トレンチ／溝３４０が第１チップ上の流体ポート３１０の周りに機械加工され得る。これらのトレンチ／溝は機械的ガスケットとして機能することができる；成形材料は成形時にトレンチ内へと押し込まれ、流体ポート３１０の周りに防液シールをつくる。ポートの周りに一つまたは複数のトレンチがあってよい。第１チップがシリコンからなる場合、負の抜け勾配（ｄｒａｆｔ ａｎｇｌｅ）を有するトレンチが、適切なシリコン微小加工プロセスで作られてよく、これによってシリコンチップ（トレンチ）へのポリマーの強い機械的アンカーが作られる。より単純ではあるが、第１チップの表面領域流体入口上にラフネスまたはランダムな幾何学的構造を導入することによっても漏れのない接続を促進することができる。

トレンチ及び他の幾何学的構造は、第１チップ製造プロセスの統合された部分として実施されてよく、または、第１チップ製造プロセスの最終ステップとして実施されてよい。この構造はウェットまたはドライエッチング、ダイシング、レーザーアブレーション等の様々な微小加工方法によって実現され得る。

強固な機械的統合を保証するために、そして固化時に成形材料が収縮することに起因して挿入された第１チップ３００が支持１１０、１２０、１３０から押されるのを防ぐために、追加の固定構造が第１チップ用に導入され得る。図５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂに描写されたように、これらの構造は第１チップへの溝として、または第１チップの上面の周りのレッジ３３０として実現され得る。第１チップがシリコンチップまたはシリコン―ガラスチップの場合、そのようなレッジは２段階のウェハダイシングプロセスによって実現され得る。

形成プロセスが終了した際に、第１チップはモールド部品に統合される。図３〜５に示された具現化において、第１チップ３００はシリコン中に微小加工されたチャネルと、第２金型半体２００中の補償要素２１０への透明なガラス蓋とを有することができる。従って、形成後に、ガラス蓋はモールド部品４００の表面と同一平面になるだろう。このようにして、第１チップ内のチャネルへの優れた光アクセスが保証される。イメージングまたはチップ機能の光学的な読み出しが必要な用途では、このようなアクセスは重要である。光アクセスが必須ではない場合には、第１チップ３００の上面はモールド部品４００のバルク中に浸漬され得る。

第１チップ３００は、様々な受動的構造、能動的構造、または両者の組み合わせを含むことができる。具体的には、チャネル、チャンバー、フィルター、計量構造、混合構造、粒子トラップ、ロッドのアレイ、三次元構造を含むことができる。第１チップは、ポンプ、バルブ、加熱要素、圧力センサ、温度センサ、加速度計、質量流量計、または任意のタイプの微小電気機械、微小光学電気機械、バイオ微小電気機械、もしくは他のタイプのセンサまたはアクチュエーター等の能動的要素を有することができる。これは化学センサ、バイオセンサ、特に光学的、機械的、電気化学的、音響的、または光のバイオセンサ、及び環境発電の装置、バイオリアクタ、または化学反応器であり得る。第１チップは予め格納された化学物質だけでなくナノ構造及びナノ粒子を含むことができる。第１チップは、生体機能化され生体活性化された領域及び、後続の生体機能化のためのアンカーポイントなどの化学修飾された領域も含むことができる。

［第２のプロセス］
成形されたチャネルの化学的表面処理などの、成形されたラボオンチップシステムのために確立された第２のプロセスのステップも、本発明で作られたモールド部品に実施され得る。

最終製造ステップは典型的には成形されたチャネル４２０を密封する（開ける）ことである。このための従来の方法は、例えば接着又は溶接によって、箔またはプレート５００を適用することである。

１００ 第１金型半体
１１０ 挿入された第１チップを定位置に固定するためのフレーム構造
１２０ モールド部品中のチャネル及び、チップとモールド部品との流体接続を形成するための構造
１３０ 例えば第１チップとの電気接続のための、第１チップに露出した領域を形成し、またプロセス中に第１チップを機械的に支持する構造
１４０ 真空ポートの可能な位置
２００ 第２金型半体
２１０ 補償要素
２２０ 第２金型半体の金型表面
３００ 予め製造され、挿入された第１チップ
３１０ 第１チップ上の流体ポート
３２０ 第１チップを通るチャネル
３３０ 第１チップ上のレッジ
３４０ 第１チップ３００上の流体ポート３１０の周りのトレンチ
４００ モールド部品
４１０ モールド部品中の流体ポート
４２０ モールド部品中のチャネル
５００ 積層箔またはプレート

Claims (9)

1. 第１金型部品（１００）及び第２金型部品（２００）を備える金型を提供するステップであって、前記第１金型部品及び前記第２金型部品のうちの少なくとも一つは、チップ（３００）が第１支持構造（１２０、１３０）上に載るように受け取り、配置するのに適合された配置手段（１１０）を有し、前記第１金型部品及び前記第２金型部品は、互いを接合して前記配置手段及び前記第１支持構造をその内部に収容するためのキャビティを形成するのに適合されたステップと、
   前記チップを前記配置手段に受け取るステップと、
   前記第１金型部品及び前記第２金型部品を接合することによって前記キャビティを形成するステップと、
   前記第１支持構造が流体ポートをマスクするために、前記チップの前記流体ポート（３１０）が前記第１支持構造上に載った状態で前記チップを固定するステップと、
   前記キャビティに成形材料を導入して、前記チップの少なくとも一部及び前記チップから離れて広がる前記キャビティの体積をオーバーモールドするステップと、
   前記第１金型部品及び前記第２金型部品を分離するステップと、
   前記第１支持構造によってマスクされた前記流体ポートの領域の付近の領域及び前記チップから離れて広がる領域中の前記成形材料によってオーバーモールドされた前記チップを前記金型から取り出すステップであって、第１表面に流体チャネル（４２０）が前記第１支持構造によって形成されるステップと、を備えるラボオンチップシステムの製造方法。
2. 前記チップの前記流体ポートと接続された流体導管を形成するために、前記第１表面にカバー（５００）を適用して前記流体チャネルの少なくとも一部を覆うステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１金型部品及び前記第２金型部品のうちの少なくとも一つに、前記チップを前記配置手段に固定するための固定手段を提供するステップをさらに備える、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記チップがシリコンチップである、請求項１、２、または３に記載の方法。
5. 流体ポートを有し、少なくとも前記流体ポートを囲む領域で成形材料によってオーバーモールドされ、チップから離れて広がる成形材料を有するチップを備えるラボオンチップシステムであって、前記成形材料は、前記チップの少なくとも一部を覆う第１表面に前記チップの前記流体ポートと接続した流体チャネルを有する前記チップから離れて広がるラボオンチップシステム。
6. 流体導管を形成するために前記流体チャネルの少なくとも一部を覆うために前記第１表面に適用されたカバーを有するシステムであって、前記カバーは、前記流体導管が前記流体ポートと接続されるように前記流体ポートを囲む前記第１表面の一部上に広がる、請求項５に記載のラボオンチップシステム。
7. 前記チップがその側面に沿ってレッジを有し、前記レッジは前記チップを固定するために前記成形材料によってオーバーモールドされた、請求項５または６に記載のラボオンチップシステム。
8. 前記流体ポートを囲む前記チップの領域が、その領域上の成形材料の前記チップへの接着を高めるために、１つ以上のトレンチ、粗面、または処理された表面を備える、請求項５から７のいずれか一項に記載のラボオンチップシステム。
9. 前記チップがシリコンチップである、請求項５から８のいずれか一項に記載のラボオンチップシステム。

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